Главные движительно-рулевые устройства. 5 страница

Большое значение для поворотливости судна имеют параметры его корпуса, характеризуемые отношениями L/B и коэффициентами общей полноты d, а также форма оконечностей судна (степень подреза оконечностей) и дифферент.

На одновинтовых судах циркуляции вправо и влево могут существенно отличаться из-за несимметричного влияния струи от винта.

Из рассмотренного выше очевидно, что устойчивость на курсе и поворотливость являются противоположными качествами- при улучшении устойчивости на курсе поворотливость ухудшается, и наоборот. В то же время оба этих качества являются полезными, поэтому при проектировании судов стремятся найти, в зависимости от типа и назначения судна, целесообразное сочетание этих качеств. На судах, которым по характеру их работы предстоит частое маневрирование в стеснённых условиях, для повышения поворотливости нередко устанавливают средства активного управления.

Движение судна под влиянием переложенного руля.При движении судна с переложенным рулём, центр тяжести описывает траекторию, называемую циркуляцией. При этом нос судна отклоняется внутрь циркуляции, т.е. между диаметральной плоскостью и касательной к траектории имеется угол подреза, называемый углом дрейфа на циркуляции.

Подводная часть судна ведёт себя как крыло, двигающееся в воде возникает подъёмная сила. Поперечная составляющая гидродинамической силы R_гу и является подъёмной силой корпуса, рассматриваемого как крыло. Значение этой силы, распределённой по длине корпуса судна, пропорционально углу атаки, т.е. углу дрейфа. При движении с постоянным по длине корпуса углом дрейфа (это бывает при движении близком к прямолинейному) точка приложения равнодействующей подъёмной силы смещена к передней кромке крыла, т.е. к носовой части судна.

Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа. Эти характеристики не остаются постоянными, поэтому процесс циркуляции принято делить на три периода.

Первый период- маневренный -продолжается от момента подачи команды на перекладку руля до времени перекладки руля на заданный угол. Второй период- эволюционный- начинается с момента окончания перекладки руля и заканчивается, когда характеристики циркуляции примут установившиеся значения. Третий период- установившийся- начинается с момента окончания второго периода и продолжается до тех пор, пока руль остаётся в переложенном положении. За начало циркуляции принимается момент подачи команды на перекладку руля.

Переложенный на угол d руль, как и всякое крыло, развивает подъёмную силу – боковую силу руля R_ру, под влиянием которой корпус испытывает поперечную силу R_гу, приложенную в центре тяжести G и момент M_г относительно вертикальной оси Z. Это показано на рис.1.64.

В первый период после начала циркуляции под влиянием поперечной силы R_ру возникает угол дрейфа и ц.т. судна приобретает движение во внешнюю сторону циркуляции, т.е. происходит обратное смещение, при этом на корпусе также появляется подъёмная сила – поперечная гидродинамическая сила R_гу направленная внутрь циркуляции, точка приложения которой смещена в нос от цт. Момент этой силы M_г в этом периоде имеет тот же знак, что и момент руля M_р поэтому угловая скорость начинает быстро возрастать.

Рис.1.64. Движение судна с переложенным рулем

В дальнейшем под влиянием поперечной силы R_гу траектория ЦТ начинает постепенно искривляться в сторону перекладки руля, т.е. радиус начинает уменьшаться.

При движении ЦТ по криволинейной траектории с радиусом R каждая точка по длине судна описывает относительно общего центра циркуляции О свою траекторию. Радиус кривизны ее отличается от R. При этом каждая такая точка имеет свой угол дрейфа, значение которого возрастает по мере удаления в сторону кормы. В нос от ЦТ углы дрейфа соответственно уменьшаются, как показано на рис.1.65. Если же из центра циркуляции О опустить перпендикуляр на диаметральную плоскость (ДП), то в полученной точке ПП угол дрейфа равен нулю. Эта точка носит название центра вращения или полюса поворота.

Полюс поворота при циркуляции для большинства судов располагается вблизи носовой оконечности - на расстоянии примерно 0.4 длины судна от центра тяжести принимаемого на мидель-шпангоуте.

	О

Рис.1.65. Изменение угла дрейфа по длине судна

Угол дрейфа цт судна на циркуляции определяется по формуле:

(1.41)

где l_n.n.-расстояние полюса поворота от центра тяжести.

Для произвольной точки а угол дрейфа будет:

(1.42)

где l_а- расстояние от точки а до центра тяжести(в корму знак «-»).

На судах, имеющих крутую циркуляцию, угол дрейфа может достигать 20⁰ и более.

Как уже отмечалось, подъёмная сила пропорциональна углу атаки, а так как углы дрейфа возрастают по длине корпуса в сторону кормы, то точка приложения поперечной гидродинамической силы R_гу по мере искривления траектории смещается в сторону кормы, а момент этой силы М_г постепенно уменьшаясь меняет знак и начинает действовать противоположно моменту руля М_р, т.е. становится демпфирующим. Рост угловой скорости при этом замедляется, а когда моменты М_р и М_г становятся равными по абсолютной величине, угловая скорость стремится к установившемуся значению _уст.

Благодаря сопротивлению переложенного руля (сила R_px) и некоторому увеличению сопротивления корпуса при движении с углом дрейфа, а также проекции Р_х центробежной силы, линейная скорость судна V постепенно уменьшается, стремясь к некоторому значению V_уст..

Чем лучше поворотливость, т.е. чем большую кривизну имеет траектория, тем больше снижается скорость на циркуляции. В среднем, на крупнотоннажных морских судах при повороте на 90⁰ скорость снижается, приблизительно на1/3, а при повороте на 180⁰ –вдвое.

1.7. Основные сведения о судовых рулях и движителях

Угол поворота рулей относительно диаметральной плоскости называется углом перекладки руля. Под термином “перекладка руля” понимают процесс поворота пера руля из одного положения в другое. Максимальный угол перекладки руля на морских судах обычно ограничивают 35⁰, поскольку дальнейшая перекладка руля, не приводит к увеличению его поперечной силы. Дальнейшее увеличение угла перекладки кроме малой эффективности ведет к резкому увеличению нагрузки на оси баллера, что требует утяжеления привода рулей и повышения мощности рулевой машины.

Площадь пера руля, которая требуется для обеспечения необходимой управляемости, зависит от назначения и геометрических размеров судна, формы обводов кормы, скорости хода и расположения руля относительно винта. Для сравнения эффективности рулей различных судов принято рассматривать относительную площадь руля А_р и фактор руля и корпуса Ф. Значение А_р определяют по формуле:

А_р = L · T_cp / S_p , ( 1.43 )

где L - длина судна между перпендикулярами;

Т_ср - средняя осадка;

S_p - площадь пера руля ( суммарная площадь рулей).

Значение коэффициента А_р лежит в пределах от 10 ( речные колесные суда) до 85

( трансатлантические быстроходные пассажирские суда).

Форма кормовой оконечности характеризуется коэффициентом полноты площади погруженной части ДП - s_к, который определяют по формуле:

, ( 1.44 )

где f_k - площадь подреза кормы, ограничиваемая кормовым перпендикуляром, базовой линией и контуром кормы. Кроме площади пера руля на управляемость существенно влияет и его форма, которая характеризуется его относительным удлинением l_р , которое определяют по формуле:

, ( 1.45)

где h_p - высота руля по баллеру.

Увеличение площади пера руля увеличивает его поперечную силу R_py, но вместе с тем увеличивается и демпфирующее действие руля. Поэтому увеличение его площади приводит к улучшению поворотливости только при больших углах перекладки руля.

У судов с большим значением коэффициента полноты s_к поворотливость будет хуже, а устойчивость на курсе лучше, чем у судов с меньшим значением s_к .

Увеличение относительного удлинения руля l_р при неизменной площади S_p приводит к возрастанию поперечной силы руля R_py , что приводит к некоторому улучшению поворотливости.

Фактор руля и корпуса определяют по формуле:

, ( 1.46 )

где - относительная площадь пера руля в процентах, определяется

= S_p /L/ T_cp . Полученное значение Ф используется для расчетного определения эле-ментов циркуляции и потери скорости при повороте.

Cилы, действующие на переложенный руль, с учетом взаимодействия между рулевым устройством и корпусом судна, в связанных с судном осях ( Х - положительное направление в нос, У - положительное направление в правый борт ) можно определить ( рис. 5 ) :

( 1.47 )

(1.48 )

где С_рх - безразмерный коэффициент сопротивления руля ;

V_p - скорость потока воды набегающего на руль;

S_pe - эффективная площадь руля;

r - плотность воды;

S_py - безразмерный коэффициент боковой силы руля.

V_p

a_p

R_py

R_p

R_px

d

Рис.1.66 Схема сил, действующих на руль

Значение боковой силы руля, с учетом изменения направления потока, можно определить по формуле:

, ( 1.49 )

где С_ру^a - коэффициент производной боковой силы руля по углу атаки;

a_р - угол атаки руля.

Величину угла атаки можно определить из выражения:

a_р = (1.50 )

где - эффективный коэффициент влияния корпуса и винта на руль;

- относительное плечо силы на руле, равное = l_p / L;

- угол дрейфа на циркуляции;

- угловая скорость вращения судна.

Значение С_ру^a можно определить по формуле:

С_ру^a = k_тр · С_ру^aр , ( 1.51 )

где k_тр - коэффициент типа руля, равный для обычных рулей -1.0, для рулей за рудерпостом - 1.3, для поворотных насадок - 0.9.

Значение С_ру^aр для обычных рулей можно определить по формуле:

( 1.52 )

где С_р - поправочный коэффициент, равный единице для прямоугольных и трапециевидных рулей; для полубалансирных рулей его значение можно определить из табл. 1.4, составленной по графику, приведенному в справочнике по теории корабля. Для промежуточных значений величину С_р можно получить путем линейной интерполяции.

Таблица 1.4

Значение поправочного коэффициента С_р

lр 0.5 1.0 1.5 2.0

Ср 1.0 0.86 0.73 0.6

Значение коэффициента определяют по формуле:

= · _D ( 1.53 )

где -коэффициент влияния корпуса; _D- коэффициент влияния винта.

Значения коэффициентов и _D можно найти по рекомендациям ,помещенным в справочнике по теории корабля .

Сила упора винта на переднем установившемся ходу равна сопротивлению движению корпуса судна ( строго говоря надводной и подводной частей, однако учитывая малую долю сопротивления воздуха при тихой погоде по сравнению с сопротивлением воды ею пренебрегают), которое можно рассчитать по формуле:

P_e = кV² , ( 1.54 )

где к - коэффициент сопротивления корпуса, значение которого можно определить по формуле Демина С.И. :

к = 5880 + 0.654 W Ö В / Т_ср , ( 1.55 )

где W - площадь смоченной поверхности, которую с достаточной для практики точностью можно рассчитать:

W = D^2/3 ( 4.854 + 0.492 B / T_cр ) , ( 1.56 )

где D - водоизмещение судна в тоннах.

Сила упора винта P_max , которую он развивает к моменту остановки судна, является силой упора винта при нулевой поступи. Для изолированного винта ( без учета влияния корпуса судна на его работу) сила упора “ на швартовах” рассчитывается по формуле:

Р_шв = к_р r n² D_в⁴ , ( 1.57 )

где к_р - коэффициент упора винта на заднем ходу в режиме “на швартовах”;

r - массовая плотность воды;

n - число оборотов винта в секунду;

D_в - диаметр винта.

Значение коэффициента упора выбирают из специальных диаграмм для расчета винтов, помещенных в справочнике по теории корабля. С достаточной для практических потребностей судовождения точностью его можно рассчитать по известной эмпирической формуле:

к_р = ³Ö Q ·Z ( 0.225 sin² H_в + 0.098 sin H_в ), ( 1.58 )

где Q - дисковое отношение винта;

Z - число лопастей винта;

Н_в - шаговое отношение винта, равное отношению шага винта к его диаметру Н_в = Н / D_в .

Если гребной винт имеет направляющую насадку, то полученное значение к_р следует умножить на коэффициент 0.85.

Влияние корпуса на работу винта учитывается коэффициентом усиления упора С_уу , величина которого зависит от соотношения площадей диска винта A_d и погруженной части мидель-шпангоута S_Ä . Его значение может быть определено по эмпирической формуле С.И.Демина:

С_уу = 0.508 + 0.106 S_Ä / A_d , ( 1.59 )

где значение S_Ä = B T_ср b_Ä ; b_Ä - коэффициент полноты мидель-шпангоута;

Значение А_d рассчитывается по формуле: А_d = p· D_в² / 4.

C учетом изложенного максимальную силу упора винта рассчитывают по формуле:

P_max = P_шв · С_уу ( 1.60)

Точность определения значения P_max по приведенной методике характеризуется стандартной относительной погрешностью равной 12.3%.